[发明专利]一种表征电化学电池或其组件的方法

说明书

本申请是于2006年8月3日提交的名称为“电化学热力学测量系统”的发明专利申请200680028690.5的分案申请。

相关申请的交叉援引

本申请要求于2005年8月3日提交的美国临时专利申请60/705,535的优先权，该申请此处通过援引的方式纳入本说明书。

背景技术

在过去的几十年内，电化学存储和转换设备取得了显著的进步，扩展了这些系统在包括便携式电子设备、空间飞行器技术和生物医学设备在内的各个领域内的能力。电化学存储和转换设备的当前技术状态倾向于具有特别选择为与不同范围的用户应用相适应的设计和性能品质。例如，当前的电化学存储系统覆盖了从提供可靠、长期运行的轻质、稳定的电池到能够提供极其高的放电速率的高容量电池。尽管有这些最新发展，高功率便携式电子产品的普遍发展和需求仍急需研究人员开发出适合用于多种这类应用的更高性能的电池。此外，电子消费品和仪器领域的小型化需求继续激励着去研究那些用于减少高性能电池的尺寸、重量和形式因素的新型设计和材料方案。

在电化学存储和转换技术上的很多最新进展直接归功于用于电池组件的新材料的发现和结合。例如，锂离子电池技术持续快速发展，其至少部分归因于用于这些系统的新型阴极和阳极材料的结合。从嵌入碳阳极材料的新发现和优化到最近的纳米结构过渡金属氧化物嵌入阴极材料和纳米磷酸盐阴极材料的发现，新材料的开发改变了一次和二次锂离子电池的设计和性能。例如，先进的电极材料已经显著地增强了这些系统所提供的能量容量、能量密度、放电电流速率和循环寿命，从而使锂离子电池成为一项用于下一代高功率便携式电子系统、混合动力源电动车(HEV)和电动车(EV)的优选技术。电极材料的进展还大大有望积极影响其它系统，包括电化学电容器、超级电容器和燃料电池，并且可能成为这些技术应用于各种设备的关键。因此，在开发新的和改进的电化学能量存储和转换系统上，对新型电极材料的鉴定和性能评估是当前研究上优先考虑的事。

电化学能量存储和转换设备使用两个电极：一个阳极和一个阴极，它们是电导体，由纯粹的离子导体--电解液分开。放电期间产生的电流来自电极表面发生的化学反应和物理过程(例如运输)，在该电极表面，带正电的或带负电的离子和电解液进行交换。然后这些过程产生或吸收电子，以保持系统的电中性。电荷交换导致电极表面和本体结构特性的重要变化。具体而言，电荷转移过程影响每个电极的电势和反应速率，该电势和反应速率确定电化学电力产生设备的能量和功率密度输出。例如，对于可充电电池，在具体热力学和动力学运行条件下(例如，温度、充电和放电电压极限、电流速率等)，电极表面和本体结构中的变化程度和机制确定了循环寿命。

在预测任何电化学存储和转换设备的性能和稳定性上，有必要知道电极反应和物理输运的热力学。例如，重要的热力学态函数至少部分地确定了自发的电化学电源的能量、功率和循环寿命。实际上，能量密度反映了可逆地交换的电荷总量，以及交换发生时的电势。另一方面，循环寿命涉及由充电和放电过程中的电极转换引起的态或相的稳定性，所有这些过程至少在某一程度上是受电极反应的热力学控制的。

很多技术已被开发出来，并被应用于评价电极反应的热化学动力学，包括电分析方法(如循环伏安法、电位分析法等)和光谱技术(如，x射线衍射、NMR和LEED等)。然而，考虑到热力学在几乎所有电化学能量存储和转换系统中的重要性，本领域目前还需要用于测量诸如熵变、焓变和吉布斯自由能的变化之类的关键热力学参数的系统和方法，并具有能够预测和优化这些系统的性能品质和能力的精确度。这种系统在鉴定用于下一代电化学能量存储和转换系统的新材料上将扮演重要角色，并将大大有助于增进对已确定的阴极和阳极材料的热化学动力学的理解。新的热力学分析系统还有很大的潜力作为多用途测试仪器，用于表征商业上制造的包括蓄电池和燃料电池在内的电极系统的材料特性和性能。

发明内容

本发明提供了用于精确表征电极和电化学能量存储和转换系统的热力学和材料特性的系统和方法。本发明的系统和方法能够同时收集一套表征多个相互关联的电化学和热力学参数的测量值，这些参数值与电极反应进行状态、电压和温度相关。本发明方法和系统所提供的增强的灵敏度，结合那些反映了已热力学稳定化的电极状况的测量条件，可以实现对热力学参数非常精确的测量，这些热力学参数包括诸如电极/电化学电池反应的吉布斯自由能、焓和熵之类的状态函数，从而使得能够预测电极材料和电化学系统的重要性能，诸如电化学电池的能量、功率密度、电流速率和循环寿命。